Design and Synthesis of Donor-Acceptor Low Band Gap Copolymers for Photoconductive and Non-linear Optical Applications

The main focus of the present study was to develop ideal low band gap D-A copolymers for photoconducting and non-linear optical applications. This chapter summarizes the overall research work done. Designed copolymers were synthesized via direct arylation or Suzuki coupling reactions. Copolymers were characterized by theoretical and experimental methods. The suitability of these copolymers in photoconducting and optical limiting devices has been investigated.The results suggest that the copolymers investigated in the present study have a good non-linear optical response and are comparable to or even better than the D-A copolymers reported in the literature and hence could be chosen as ideal candidates with potential applications for non-linear optics. The results also show that the structures of the polymers have great impact on NLO properties. Copolymers studied here exhibits good optical limiting property at 532 nm wavelength due to two-photon absorption (TPA) process. The results revealed that the two copolymers, (P(EDOT-BTSe) and P(PH-TZ)) exhibited strong two-photon absorption and superior optical power limiting properties, which are much better than that of others.

Refractive index changes in photochromic SbPO4-WO3 glass by exposure to band-gap radiation

We report photoinduced photo-darkening in SbPO4-WO3 glass by exposure to 532 nm light with a power density of 143 mW/cm(2). The time of exposure was varied between 0 and 256 min following which visible photo-darkening, peaking at 850 nm was observed. Spectrophotometer measurement of absorption was performed for both treated and untreated regions of the sample. Time exposure to below band-gap light results in a single exponent Gaussian absorption function over an exceptionally wide range of wavelengths (500 nm-1600 nm), with a 1/e width of 647.5 nm. Kramers-Kronig transform of the change in the absorption indicates a negative local change in the refractive index. The dispersed refractive index change at 1550 nm, Delta n, is calculated to be similar to -5 x 10(-8). The peak absorption increases with time of exposure and the photo-darkening remains irreversible at room temperature. Crown Copyright (C) 2010 Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Decay of photo-induced conductivity in Sb-doped SnO2 thin films, using monochromatic light of about bandgap energy

Doping tin dioxide (SnO2) with pentavalent Sb5+ ions leads to an enhancement in the electrical conductivity of this material, because Sb5+ substitutes Sn4+ in the matrix, promoting an electronic density increase in the conduction band, due to the donor-like nature of the doping atom. Results of computational simulation, based on the Density Functional Theory (DFT), of SnO2:4%Sb and SnO2:8%Sb show that the bandgap magnitude is strongly affected by the doping concentration, because the energy value found for 4 at%Sb and 8 at%Sb was 3.27 eV and 3.13 eV, respectively, whereas the well known value for undoped SnO2 is about 3.6 eV. Sb-doped SnO2 thin films were obtained by the sol-gel-dip-coating technique. The samples were submitted to excitation with below theoretical bandgap light (450 nm), as well as above bandgap light (266 nm) at low temperature, and a temperature-dependent increase in the conductivity is observed. Besides, an unusual temperature and time dependent decay when the illumination is removed is also observed, where the decay time is slower for higher temperatures. This decay is modeled by considering thermally activated cross section of trapping centers, and the hypothesis of grain boundary scattering as the dominant mechanism for electronic mobility. © 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Inorganic Graphenylene: A Porous Two-Dimensional Material With Tunable Band Gap

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

GaMnAs: Position of Mn-d levels and majority spin band gap predicted from GGA-1/2 calculations

Among all magnetic semiconductors, GaMnAs seems to be the most important one. In this work, we present accurate first-principles calculations of GaMnAs within the GGA-1/2 approach: We concentrate our efforts in obtaining the position of the peak of Mn-d levels in the valence band and also the majority spin band gap. For the position of the Mn-d peak, we find a value of 3.3 eV below the Fermi level, in good agreement with the most recent experimental results of 3.5 and 3.7 eV. An analytical expression that fits the calculated E-g(x) for majority spin is derived in order to provide ready access to the band gap for the composition range from 0 to 0.25. We found a value of 3.9 eV for the gap bowing parameter. The results agree well with the most recent experimental data. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4718602]

Toward Cove-Edged Low Band Gap Graphene Nanoribbons

Graphene nanoribbons (GNRs), defined as nanometer-wide strips of graphene, have attracted increasing attention as promising candidates for next-generation semiconductors. Here, we demonstrate a bottom-up strategy toward novel low band gap GNRs (E-g = 1.70 eV) with a well-defined cove-type periphery both in solution and on a solid substrate surface with chrysene as the key monomer. Corresponding cyclized chrysene-based oligornerS consisting of the dimer and tetramer are obtained via an Ullmann Coupling followed by oxidative intramolecular cyclodehydrogenation in solution, and much higher GNR homologues via on-surface synthesis. These oligomers adopt nonplanar structures due to the isteric repulsion between the two C-H bonds at the inner cove position. Characterizations by single crystal X-ray analysis, UV-vis absorption spectroscopy, NMR spectroscopy, and scanning tunneling microscopy (STM) are described. The interpretation is assisted by density functional theory (DFT) calculations.

Intermediate band solar energy conversion in ZnTeO

Energy conversion in solar cells incorporating ZnTeO base layers is presented. The ZnTeO base layers incorporate intermediate electronic states located approximately 0.4eV below the conduction band edge as a result of the substitution of O in Te sites in the ZnTe lattice. Cells with ZnTeO base layers demonstrate optical response at energies lower than the ZnTe bandedge, a feature that is absent in reference cells with ZnTe base layers. Quantum efficiency is significantly improved with the incorporation of ZnSe emitter/window layers and transition from growth on GaAs substrates to GaSb substrates with a near lattice match to ZnTe.

Ruling out the impact of defects on the below band gap photoconductivity of Ti supersaturated Si

In this study, we present a structural and optoelectronic characterization of high dose Ti implanted Si subsequently pulsed-laser melted (Ti supersaturated Si). Time-of-flight secondary ion mass spectrometry analysis reveals that the theoretical Mott limit has been surpassed after the laser process and transmission electron microscopy images show a good lattice reconstruction. Optical characterization shows strong sub-band gap absorption related to the high Ti concentration. Photoconductivity measurements show that Ti supersaturated Si presents spectral response orders of magnitude higher than unimplanted Si at energies below the band gap. We conclude that the observed below band gap photoconductivity cannot be attributed to structural defects produced by the fabrication processes and suggest that both absorption coefficient of the new material and lifetime of photoexcited carriers have been enhanced due to the presence of a high Ti concentration. This remarkable result proves that Ti supersaturated Si is a promising material for both infrared detectors and high efficiency photovoltaic devices.

Diseño y síntesis de semiconductores orgánicos con capacidad de organización, alta movilidad de portadores de carga y bajo band gap

Desde hace ya algunos años la búsqueda de energías alternativas a los combustibles fósiles es uno de los grandes retos a nivel mundial. Según los datos de la Agencia Estadounidense de Información sobre la Energía (EIA), el consumo energético en el mundo fue de 18 TW en 2015 y se espera que este consumo se dispare hasta alcanzar los 25 TW en 2035 y los 30 TW en 2050. Parece, por tanto, necesario dar respuesta a esta demanda creciente, y no solo considerar de dónde va a proceder esta energía sino también cuáles van a ser las consecuencias derivadas de este aumento en el consumo energético. Ya en el año 2007 la Academia Sueca reconoció, con la concesión del Premio Nobel de la Paz al ex vicepresidente de Estados Unidos Al Gore y al Grupo Intergubernamental de expertos sobre Cambio Climático (IPCC) de Naciones Unidas, la necesidad de concienciación de que el modelo de desarrollo que tenemos es ecológicamente insostenible. En este contexto, las energías renovables en general y, la energía solar en particular, tienen mucho que ofrecer. Una de las mayores ventajas de la energía solar respecto a las otras fuentes de energía es su enorme potencial, que los investigadores que trabajan en este campo resumen con la siguiente afirmación: la cantidad de energía solar que la Tierra recibe en una hora es mayor que el consumo mundial en el planeta durante todo un año. Al hablar de energía solar se suele distinguir entre energía solar térmica y energía solar fotovoltaica; la primera consiste en aprovechar la energía del sol para convertirla en calor, mientras que la segunda pretende transformar la radiación solar en electricidad por medio de unos dispositivos llamados células fotovoltaicas. Y es precisamente en este campo donde se centra este proyecto. El fundamento científico en el que se basan las células fotovoltaicas es el efecto fotoeléctrico, descubierto por Becquerel en 1839. No obstante, tendrían que pasar más de cien años hasta que investigadores de los laboratorios Bell en 1954 desarrollaran una célula de silicio monocristalino con un rendimiento del 6%. Y en 1958, con el lanzamiento del satélite Vangard I equipado con paneles solares se pudo demostrar la viabilidad de esta tecnología. Desde entonces, la investigación en esta área ha permitido desarrollar dispositivos con eficiencias superiores al 20%. No obstante, la fotovoltaica tradicional basada en elementos semiconductores tipo silicio presenta algunos inconvenientes como el impacto visual de los parques solares, los costes elevados o los rendimientos no muy altos. El descubrimiento de materiales orgánicos semiconductores, reconocido con el Premio Nobel de Química a Heeger, MacDiarmid y Shirakawa en 1976, ha permitido ampliar el campo de la fotovoltaica, ofreciendo la posibilidad de desarrollar células solares orgánicas frente a las células tradicionales inorgánicas. Las células fotovoltaicas orgánicas resultan atractivas ya que, en principio, presentan ventajas como reducción de costes y facilidad de procesado: los materiales orgánicos se pueden elaborar mediante procesos de impresión y recubrimiento de alta velocidad, aerosoles o impresión por inyección y se podrían aplicar como una pintura sobre superficies, tejados o edificios. La transformación de la energía solar en corriente eléctrica es un proceso que transcurre en varias etapas: 1. Absorción del fotón por parte del material orgánico. 2. Formación de un excitón (par electrón-hueco), donde el electrón, al absorber el fotón, es promovido a un nivel energético superior dejando un hueco en el nivel energético en el que se encontraba inicialmente. 3. Difusión del excitón, siendo muy decisiva la morfología del dispositivo. 4. Disociación del excitón y transporte de cargas, lo que requiere movilidades altas de los portadores de cargas. 5. Recolección de cargas en los electrodos. En el diseño de las células solares orgánicas, análogamente a los semiconductores tipo p y tipo n inorgánicos, se suelen combinar dos tipos de materiales orgánicos: un material orgánico denominado dador, que absorbe el fotón y que a continuación deberá ceder el electrón a un segundo material orgánico, denominado aceptor. Para que la célula resulte eficaz es necesario que se cumplan simultáneamente varios requisitos: 1. La energía del fotón incidente debe ser superior a la diferencia de energía entre los orbitales frontera del material orgánico, el HOMO (orbital molecular ocupado de más alta energía) y el LUMO (orbital desocupado de menor energía). Para ello, se necesitan materiales orgánicos semiconductores que presenten una diferencia de energía entre los orbitales frontera (ELUMO-EHOMO= band gap) menor de 2 eV. Materiales orgánicos con estas características son los polímeros conjugados, donde alternan dobles enlaces carbono-carbono con enlaces sencillos carbono-carbono. Uno de los polímeros orgánicos más utilizados como material dador es el P3HT (poli-3-hexiltiofeno). 2. Tanto el material orgánico aceptor como el material orgánico dador deben presentar movilidades altas para los portadores de carga, ya sean electrones o huecos. Este es uno de los campos en los que los materiales orgánicos se encuentran en clara desventaja frente a los materiales inorgánicos: la movilidad de electrones en el silicio monocristalino es 1500 cm2V-1s-1 y en el politiofeno tan solo 10-5 cm2V-1s-1. La movilidad de los portadores de carga aparece muy relacionada con la estructura del material, cuanto más cristalino sea el material, es decir, cuanto mayor sea su grado de organización, mejor será la movilidad. Este proyecto se centra en la búsqueda de materiales orgánicos que puedan funcionar como dadores en el dispositivo fotovoltaico. Y en lugar de centrarse en materiales de tipo polimérico, se ha preferido explorar otra vía: materiales orgánicos semiconductores pero con estructura de moléculas pequeñas. Hay varias razones para intentar sustituir los materiales poliméricos por moléculas pequeñas como, por ejemplo, la difícil reproducibilidad de resultados que se encuentra con los materiales poliméricos y su baja cristalinidad, en general. Entre las moléculas orgánicas sencillas que pudieran ser utilizadas como el material dador en una célula fotovoltaica orgánica llama la atención el atractivo de las moléculas de epindolidiona y quinacridona. En los dos casos se trata de moléculas planas, con enlaces conjugados y que presentan anillos condensados, cuatro en el caso de la epindolidiona y cinco en el caso de la quinacridona. Además ambos compuestos aparecen doblemente funcionalizados con grupos dadores de enlace de hidrógeno (NH) y aceptores (grupos carbonilo C=O). Por su estructura, estas moléculas podrían organizarse tanto en el plano, mediante la formación de varios enlaces de hidrógeno intermoleculares, como en apilamientos verticales tipo columnar, por las interacciones entre las superficies de los anillos aromáticos que forman parte de su estructura (tres en el caso de la quinacridona) y dos (en el caso de la epindolidiona). Esta organización debería traducirse en una mayor movilidad de portadores de carga, cumpliendo así con uno de los requisitos de un material orgánico para su aplicación en fotovoltaica. De estas dos moléculas, en este trabajo se profundiza en las moléculas tipo quinacridona, ya que el desarrollo de las moléculas tipo epindolidiona se llevó a cabo en un proyecto de investigación financiado por una beca Repsol y concedida a Guillermo Menéndez, alumno del Grado en Tecnologías Industriales de esta escuela. La quinacridona es uno de los pigmentos más utilizados y se estima que la venta anual de los mismos alcanza las 4.000 toneladas por año. Son compuestos muy estables tanto desde el punto de vista térmico como fotoquímico y su síntesis no resulta excesivamente compleja. Son además compuestos no tóxicos y la legislación autoriza su empleo en cosméticos y juguetes para niños. El inconveniente principal de la quinacridona es su elevada insolubilidad (soluble en ácido sulfúrico concentrado), por lo que aunque resulta un material muy atractivo para su aplicación en fotovoltaica, resulta difícil su implementación. De hecho, solo es posible su incorporación en dispositivos fotovoltaicos funcionalizando la quinacridona con algún grupo lábil que le proporcione la suficiente solubilidad para poder ser aplicado y posteriormente eliminar dicho grupo lábil. La propuesta inicial de este proyecto es intentar desarrollar quinacridonas que sean solubles en los disolventes orgánicos más habituales tipo cloruro de metileno o cloroformo, para de este modo poder cumplir con una de las ventajas que, a priori, ofrecen las células fotovoltaicas orgánicas frente a las inorgánicas, como es la facilidad de su procesado. El objetivo se centra, por lo tanto, en la preparación de quinacridonas solubles pero sin renunciar a su capacidad para formar enlaces de hidrógeno ni a su capacidad de apilamiento π-π, ya que se quiere mantener los valores de movilidad de portadores para la quinacridona (movilidad de huecos 0,2 cm2V-1s-1). En primer lugar se intenta la preparación de una quinacridona que presenta la ventaja de que los materiales de partida para su síntesis son comerciales: a partir del succinato de dimetilo y de 4-tetradecilanilina se podía acceder, en una síntesis de cuatro etapas, a la molécula deseada. La elección de la amina aromática con la sustitución en posición 4 presenta la ventaja de que en la etapa de doble ciclación necesaria en la síntesis, solo se forma uno de los regioisómeros posibles; este hecho es de gran relevancia para conseguir compuestos con altas movilidades, ya que la presencia de mezcla de regioisómeros, como se ha demostrado con otros compuestos como el P3HT, reduce considerablemente la movilidad de los portadores. Se obtiene así una quinacridona funcionalizada con dos cadenas lineales de 14 carbonos cada una en posiciones simétricas sobre los anillos aromáticos de los extremos. Se espera que la presencia de la superficie aromática plana y las dos cadenas lineales largas pueda conducir a una organización del material similar a la de un cristal líquido discótico. Sin embargo, el producto obtenido resulta ser tremendamente insoluble, no siendo suficiente las dos cadenas de 14 carbonos para aumentar su solubilidad respecto a la quinacridona sin funcionalizar. Se prepara entonces un derivado de esta quinacridona por alquilación de los nitrógenos. Este derivado, incapaz de formar enlaces de hidrógeno, resulta ser fácilmente soluble lo que proporciona una idea de la importancia de los enlaces de hidrógeno en la organización del compuesto. La idea inicial es conseguir, con una síntesis lo más sencilla posible, una quinacridona soluble, por lo que se decide utilizar la 4-t-butilanilina, también comercial, en lugar de la 4-tetradecilanilina. La cadena de t-butilo solo aporta cuatro átomos de carbono, pero su disposición (tres grupos metilo sobre un mismo átomo de carbono) suele conducir a resultados muy buenos en términos de solubilidad. Otra vez, la incorporación de los dos grupos t-butilo resulta insuficiente en términos de solubilidad del material. En estos momentos, y antes de explorar otro tipo de modificaciones sobre el esqueleto de quinacridona, en principio más complejos, se piensa en utilizar una amina aromática funcionalizada en la posición adyacente a la amina, de manera que el grupo funcional cumpliera una doble misión: por una parte, proporcionar solubilidad y por otra parte, perturbar ligeramente la formación de enlaces de hidrógeno, que han evidenciado ser una de las causas fundamentales para la insolubilidad del compuesto. Se realiza un análisis sobre cuáles podrían ser los grupos funcionales más idóneos en esta posición, valorando dos aspectos: el impedimento estérico que dificultaría la formación de enlaces de hidrógeno y la facilidad en su preparación. Ello conduce a optar por un grupo tioéter como candidato, ya que el 2-aminobencenotiol es un compuesto comercial y su adecuada funcionalización conduciría a una anilina con las propiedades deseadas. Se realiza simultáneamente la preparación de una quinacridona con una cadena de 18 átomos de carbono y otra quinacridona de cadena corta pero ramificada. Y finalmente, con estas quinacridonas se logra obtener compuestos solubles. Por último, se realiza el estudio de sus propiedades ópticas, mediante espectroscopia UV-Visible y fluorescencia, y se determinan experimentalmente los band gap, que se aproximan bastante a los resultados teóricos, en torno a 2,2 eV en disolución. No obstante, y aun cuando el band gap pueda parecer algo elevado, se sabe que en disolución las barreras energéticas son más elevadas que cuando el material se deposita en film. Por otra parte, todas las quinacridonas sintetizadas han demostrado una elevada estabilidad térmica. Como resumen final, el trabajo que aquí se presenta, ha permitido desarrollar una ruta sintética hacia derivados de quinacridona solubles con buenas perspectivas para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos.

Organotitanias: a versatile approach for band gap reduction in titania based materials

The reduction of the band gap of titania is critically important to fully utilize its photocatalytic properties. Two main strategies, i.e. doping and partial reduction of Ti(IV), are the main alternatives available to date. Herein, we report a new synthesis strategy based on one-pot co-condensation of in situ prepared polymetallic titanium-alkoxide complexes with titanium tetrabutoxide. Using this direct reaction, it is possible to introduce organic compounds in the anatase phase, causing site distortions in the crystalline structure of the network. By using this strategy, a yellow and a black titania have been produced, with the latter showing a remarkable photocatalytic activity under visible-light.